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公設化集合論的奧秘(14) 笛卡爾乘積與可數無限

翁 昌黎
・2015/02/28 ・2670字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 536 ・七年級
credit:wiki
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我們曾經用等量於自然數尺寸的集合企圖製造更大的集合,結果發現即使把這種尺度的集合聯集無數次(可數有限次) ,得到的還是可數無限集合,這就是說聯集這種運算無法讓N突破其尺寸限制。當所屬集合之間沒有共同元素,也就是它們互不相交時,聯集就相當於加法,所以我們也可以說用加法這種運算無法增加可數無限集合的尺寸,詳細證明過程請參考《公設化集合論的奧秘 (10)》。既然加法不行,那很自然會想到乘法或許可以突破這種限制,因為在算術的領域裡,乘法得出的結果要比加法來得大。

接下來就來尋找這種乘法吧。但有甚麼數學構造相當於集合的乘法呢?相信很多人馬上會想起有個外型看起來很像乘法的東西,那就是笛卡爾乘積(Cartesian Product)

定義4:對任意集合A和B,我們將笛卡爾乘積A × B定義為集合 {z〡∃a ∃b (a∈A ∧ b∈B) ∧ z = (a, b)}。

仔細一看,這個看起來很熟悉的笛卡爾乘積不就是之前介紹過的序對(a, b)所構成的集合嗎?這個笛卡爾乘積的前半部元素從A得來而後半部的元素則從B而來。

雖然這個定義就像我們所熟知的平面座標系一樣清楚明白,但對真正公設化集合論的內行人來說,她會馬上提出一個質疑,那就是雖然A和B都是集合,但我們無法確定A × B是否也是集合,所以必須在公設系統之內驗明正身。我們之前給過的序對定義為:

定義2 (a, b)= {{a}, {a, b}}

可參考《公設化集合論的奧秘 (8)》

由於a和 b分別屬於A和B集合,所以a, b ∈ A ∪ B。這樣的話,以a和b為元素所形成的集合就會成為A ∪ B的子集,也就是 {a, b} ⊆A ∪ B。而冪集合P(X) 的定義剛好是把X的子集合拿來當成P(X) 的元素,所以我們把A ∪ B看成P(X) 中的X就會得到

{a, b}∈ P (A ∪ B)

同理,更小的集合{a}也是A ∪ B的子集合,{a} ⊆A ∪ B,所以

{a}∈ P (A ∪ B)

以上用紅字標註的兩個集合{a , b}{a}既然都是P (A ∪ B)的成員,那表示它們兩者所形成的集合{{a}, {a , b}}必定是P (A ∪ B)的子集,也就是

{{a}, {a, b}} ⊆ P (A ∪ B)

仔細觀察會發現左邊的部分正是序對(a, b),也就是笛卡爾乘積的構成元素z 的基本形態,現在終於知道我們為何要不辭勞苦地繞那麼一大圈,為的就是要得出這個序對的形態,然後才能判別它是否符合集合的合法身分。

把這些定義關係整理一下可以得到:

z = (a, b) = {{a}, {a, b}} ⊆ P (A ∪ B)

再運用一次冪集合到P (A ∪ B)身上,根據它把子集當成元素的規定,我們發現

z = (a, b) = {{a}, {a, b}} ∈ P (P (A ∪ B))

終於把笛卡爾乘積的「真身」找到了,它就是構成A × B的集合形態,把A和B的聯集連續取兩次冪集合之後得到的P (P (A ∪ B))就是以z為元素的笛卡爾乘積。

現在只剩下最後一步確認程序了,那就是P (P (A ∪ B))是否為集合?由於A和B都是集合,所以根據ZF5聯集公設(請參考《公設化集合論的奧秘 (5)》),兩個集合的聯集也是集合,所以A ∪ B是集合沒錯。

再根據ZF7冪集合公設 (請參考《公設化集合論的奧秘 (7) 》) ,把一個集合X的所有子集蒐集起來所構成的類P(X)也是集合,所以P (A ∪ B) 是集合沒錯。(關於類的概念請參考《公設化集合論的奧秘 (12) 》) 現在讓我們根據ZF7把這個程序再 一次用到P (A ∪ B) 身上,結果發現P (P (A ∪ B)) 也仍然是集合。到此我們可以確定笛卡爾乘積A × B 為集合無誤,定義4完全符合ZF公設的「法定」標準。

確定了A × B為集合之後,我們才能放心大膽地測試由自然數集合N所構成的笛卡爾乘積N × N的尺寸是否能突破可數無限的限制,如果N × N連集合都不是的話,那我們就不用這麼辛苦白忙這一大圈了。

最後讓我們檢查一下笛卡爾乘積A × B是否真正捕捉到乘法算術的本質,就用有限集合來實驗一下吧。假設A和B都是由3個元素所構成的集合,比如A = {a, b, c} 而 B = {1, 2, 3} ,那麼A × B = {(a, 1), (a, 2), (a, 3), (b, 1), (b, 2), (b, 3), (c, 1), (c, 2), (c, 3)} ,點算一下剛好是9個元素,等於3 × 3,確實是乘法沒錯。

接下來能否找到N × N與N 之間的大小關係呢?我們發現可以找到一個一對一函數從N到N × N,只要取:

ƒ : N → N × N

n → (n, 0)

就成了。可惜ƒ不是映成函數,因為比如(17, 3)這個序對就不在ƒ的值域(range)裡,因此我們目前無法確定N × N 和N是否等量。但我們觀察到一個令人驚喜的現象,那就是當函數是一對一而沒有映成時,不就表示前面的集合N小於或等於後面的集合N × N嗎?因為不映成表示後面的集合N × N 存在著配對之後剩餘的元素,因此它有可能比前面的集合來得大。

於是我們據此做出一個集合之間小於或等於的定義:

定義5:如果在集合A和B之間存在一個一對一函數  ƒ : A→B,則說A小於或等量於B,寫成A ≤ B。相當於〡A〡≤  〡B〡,也就是A的基數小於等於B的基數。

根據以上定義,前面的函數ƒ告訴我們〡N〡≤  〡N × N〡,但若要確定〡N × N〡真的大於〡N〡的話,我們還需要證明N和N × N不等量才行。也就是若〡N〡≤ 〡N × N〡,則必須加上N和N × N不等量這個條件才能說〡N〡<〡N × N〡。

在這緊要關頭我們卻發現有一個函數g:N × N → N恰好是一對一函數,這怎麼可能呢?才剛剛發現〡N〡≤  〡N × N〡,為何半路又殺出一個搗蛋的函數g?口說無憑,我們就把函數g亮出來吧:

g:N × N → N

(n , m) → 2n3m

有證據證明這個函數是一對一嗎?有的,根據算術基本定理,任何大於1的正整數都可以唯一分解為依序排列的質數乘積模式如:P1aP2bP3c…Pkk…,其中P1 < P2 < P3< Pk <… 為由小到大的質數,而a, b, c, …, k 等為正整數。由於值域裡的2和3正好是最小的兩個質數,因此一個序對(n, m)決定一個唯一的2n3m值,故知道函數g為一對一函數。根據定義5,〡N × N〡≤ 〡N〡。於是我們同時有〡N〡≤ 〡N × N〡和〡N × N〡≤  〡N〡兩種情況。

如果是任意兩個實數r1, r2的話,如果r1≤ r2 且 r2 ≤ r1則r1 = r2。但對於包含N在內的任意集合來說,以上的算術規則是否仍然正確?也就是如果

〡N〡≤ 〡N × N〡且〡N × N〡≤  〡N〡的話,

〡N〡=〡N × N〡是否成立?

答案是肯定的,這就是著名的施洛德—伯恩斯坦定理(Schröder-Bernstein theorem),它是關於集合尺寸的一個非常重要的定理,我們目前尚未證明它,所以只能暫時假裝它是對的。但施洛德—伯恩斯坦定理一旦成立,我們剛才的美夢就全泡湯了,原本期待笛卡爾乘積可以突破可數無限的藩籬,現在卻得到〡N〡=〡N × N〡這個結論。

不僅如此,我們還能夠進一步證明推廣到任意整數n的笛卡爾乘積C1 × C2 × C3 × C4 × … × Cn 其尺寸仍然是可數無限。突破可數無限的集合運算方式似乎近在咫尺又瞬間擦身而過,這個施洛德—伯恩斯坦定理的證明又暗藏甚麼玄機?就讓我們下回再分解吧!

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翁 昌黎
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中央大學哲學研究所碩士,曾籌劃本土第一場「認知科學與佛教禪修系統」對話之大型研討會,於1995年6月在法光佛教研究所舉行,並發表文章。後隱居紐西蘭,至今已20載。 長年關注「意識轉變狀態的科學」和「意識本質的科學與哲學」問題,曾與大寶法王辯經教授師拿旺桑結堪布成立「大乘佛教禪修研究中心」。其他研究興趣為「唯識學」、「超個人心理學」、「數理邏輯」、「公設化集合論」和「後設數學」等等。


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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。
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